analiza wybranych właściwości różnych typów luksomierzy

Transkrypt

Agnieszka BANASZAK
Przemysław TABAKA
Justyna WTORKIEWICZ
ANALIZA WYBRANYCH WŁAŚCIWOŚCI
RÓŻNYCH TYPÓW LUKSOMIERZY
STRESZCZENIE
Podstawowym i najczęściej stosowanym miernikiem
w fotometrii jest luksomierz. Aby mierzone natężenie oświetlenia odpowiadało wartości odniesienia, miernik ten musi spełniać szereg wymagań, do
których zalicza się m.in. korekcję widmową oraz przestrzenną głowicy fotometrycznej luksomierza. W ostatnich latach na rynku można spotkać coraz
więcej fotometrów, które z uwagi na niską cenę cieszą się dużym zainteresowaniem. Bardzo często ich koszt jednostkowy jest niższy od ceny wzorcowania. W artykule, na podstawie przeprowadzonych pomiarów laboratoryjnych, przeanalizowano wybrane właściwości metrologiczne powszechnie
używanych typów luksomierzy podczas weryfikacji parametrów oświetlenia we
wnętrzach. Pomiarom poddano zarówno mierniki o wysokiej, jak i o niższej
dokładności. Wobec faktu, że do oświetlania wnętrz stosowane są źródła
światła o różnych rozkładach widmowych emitowanego promieniowania,
zarejestrowano wskazania poszczególnych luksomierzy przy oświetleniu ich
powierzchni światłoczułych lampami wyładowczymi oraz źródłami LED.
Uzyskane wartości odniesiono do pomiarów otrzymanych przy użyciu lampy
żarowej o temperaturze barwowej Tc = 2856 K – źródle, którego promieniowanie wykorzystywane jest przy wzorcowaniu fotometrów. Na podstawie
przeprowadzonych badań wyznaczono błędy względne oraz błędy kosinusowe luksomierzy, a także współczynniki (wskaźniki) korekcji barwy. Pomiary
uzupełniono rejestracją rozkładów widmowych źródeł światła wykorzystanych podczas pomiarów eksperymentalnych.
Słowa kluczowe: luksomierz (fotometr), błąd kosinusowy, współczynnik
(wskaźnik) korekcji barwowej, rozkład widmowy, wzorcowanie, błędy pomiaru, źródła światła
mgr inż. Agnieszka BANASZAK, mgr inż. Justyna WTORKIEWICZ
e-mail: [oum.lodz.jakosc; oum.lodz.w42]@gum.gov.pl
Okręgowy Urząd Miar w Łodzi, ul. G. Narutowicza 75, 90-132 Łódź
dr inż. Przemysław TABAKA
e-mail: [email protected]
Politechnika Łódzka, Instytut Elektroenergetyki
ul. Stefanowskiego 18/22, 90-924 Łódź
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 268, 2015
84
A. Banaszak, P. Tabaka, J. Wtorkiewicz
1. WSTĘP
W warunkach niedostatecznego lub całkowitego braku oświetlenia dziennego
zachodzi konieczność zastosowania oświetlenia sztucznego. Pracodawca zobowiązany
jest do zapewnienia oświetlenia elektrycznego o parametrach zgodnych z wymaganiami
Polskich Norm, w myśl rozporządzenia Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia
26 września 1997 r. [1]. W tym samym rozporządzeniu znajduje się zapis nakładający
na pracodawcę obowiązek przeprowadzania pomiarów i oceny parametrów natężenia
oświetlenia.
Podstawową i w praktyce jedyną wielkością mierzoną podczas weryfikacji
parametrów oświetlenia elektrycznego we wnętrzach jest natężenie oświetlenia, które
mierzy się za pomocą luksomierza – przyrządu składającego się z głowicy pomiarowej
oraz miernika prądu fotoelektrycznego współpracującego ze wzmacniaczem. Aby rejestrowane przez luksomierz natężenie oświetlenia odpowiadało wartości odniesienia,
przyrząd ten musi spełniać szereg wymagań. Do najważniejszych z nich należy skorygowanie głowicy fotometrycznej luksomierza pod względem widmowym i przestrzennym. Bardzo często w praktyce pomiarowej zdarza się, że weryfikację parametrów
oświetlenia elektrycznego przeprowadzają osoby niebędące specjalistami z zakresu
miernictwa techniki świetlnej. To one też nierzadko podejmują decyzję o wyborze
fotometru. W takim przypadku głównym kryterium przy zakupie luksomierza jest jego
cena. Oferta dostępnych na rynku fotometrów jest bardzo szeroka. Ich ceny są bardzo
zróżnicowane. Koszt tych najtańszych jest niższy od ceny wzorcowania, natomiast tych
droższych sięga kilku tysięcy złotych.
Podczas weryfikacji natężenia oświetlenia, zgodnie z zapisami w Polskich Normach dotyczących oświetlenia wnętrz [7, 8], zaleca się, aby używane fotometry były
wywzorcowane. Powszechnie uważa się, że gwarancją prawidłowości wskazań jest
świadectwo wzorcowania luksomierza, najlepiej wydane przez akredytowane laboratorium wzorcujące. Warto jednak podkreślić, że do wzorcowania luksomierzy najczęściej używa się wzorców światłości w postaci lamp żarowych o temperaturze barwowej
Tc = 2856 K. Obecnie do oświetlania wnętrz (pomijając gospodarstwa domowe),
z uwagi na niską skuteczność świetlną, w zasadzie nie stosuje się już żarowych źródeł
światła.
Ich miejsce zajęły bardziej wydajne źródła światła, do których zalicza się lampy
wyładowcze oraz coraz bardziej popularne diody elektroluminescencyjne.
Rozkłady widmowe promieniowania emitowanego przez te lampy, z uwagi na
inny sposób wytwarzania światła, różnią się od tego, przy którym przeprowadzono
wzorcowanie luksomierza. Fakt ten będzie źródłem błędów pomiarowych, których
wartości będą zależeć od stopnia dopasowania czułości widmowej fotoogniwa do
krzywej V.
Kolejnym czynnikiem wpływającym na dokładność pomiarów jest tzw. korekcja
kosinusowa, której zadaniem jest eliminowanie błędów pomiarów, wynikających z promieniowania padającego pod kątem innym niż 0º. Ma to istotne znaczenie głównie
w pomieszczeniach rozległych, w których światło na powierzchnię czynną fotoogniwa
pada z różnych kierunków.
Zagadnienia dotyczące korekcji widmowej i przestrzennej głowic fotometrycznych luksomierzy są dobrze znane. Szczegółów na ten temat dostarcza bogata literatura
Analiza wybranych właściwości różnych typów luksomierzy
85
[9, 10, 11, 12, 13]. Niestety, w praktyce pomiarowej, podczas weryfikacji parametrów
oświetlenia we wnętrzach, coraz częściej wykorzystywane są fotometry, w odniesieniu
do których dopasowanie widmowe i przestrzenne pozostawiają wiele do życzenia.
2. PRZEDMIOT I ZAKRES BADAŃ
Pomiarom poddano siedem różnych typów luksomierzy. Na potrzeby referatu
poszczególnym fotometrom nadano numery od I do VII. W celu uniknięcia ewentualnego posądzenia o uprawianie reklamy/antyreklamy, celowo odstąpiono od podawania
typów poszczególnych modeli badanych luksomierzy.
W tabelach 1 oraz 2 zestawiono dane techniczne deklarowane przez producentów fotometrów poddanych badaniom.
Luksomierze opisane w tabelach 1 i 2 charakteryzują się różnymi parametrami
technicznymi. W specyfikacji producenci zamieścili między innymi informację odnośnie przedziału wskazań, zakresów pomiarowych i rozdzielczości wskazań. W danych
technicznych luksomierzy oznaczonych numerami od V do VII, nie podano informacji
dotyczących błędu niedopasowania widmowego f1 oraz błędu niedopasowania kierunkowego f2, czyli parametrów, które są istotne w pomiarach fotometrycznych. Wobec
powyższego, nasuwa się wniosek, że każdy z producentów przyjął własną zasadę podawania specyfikacji w instrukcjach obsługi fotometrów. Niejednolity sposób podawania
parametrów technicznych może spowodować niepoprawną interpretację przez użytkownika wszystkich zamieszczonych danych.
W podanej specyfikacji należy również zwrócić uwagę na luksomierze oznaczone numerami od I do III, ponieważ zostały one zakwalifikowane do odpowiedniej
klasy przyrządu zgodnie z wytycznymi Międzynarodowej Komisji Oświetleniowej [14].
Podział luksomierzy na cztery klasy charakteryzuje ich dokładność.
Poniżej przedstawiono podziały luksomierzy na odpowiednie klasy:
 klasa L – fotometry najwyższej jakości stosowane w warunkach laboratoryjnych;
 klasa A – fotometry wysokiej jakości;
 klasa B – fotometry średniej jakości;
 klasa C – fotometry niskiej jakości.
W tabeli 3 zamieszczono dla każdej klasy wartości dotyczące największego
dopuszczalnego błędu dla wybranych parametrów.
Zakres badań, który przeprowadzono w odniesieniu do siedmiu typów luksomierzy, obejmował:
 wzorcowanie fotometrów;
 zarejestrowanie wskazań luksomierzy dla wiązki świetlnej (emitowanej przez
lampę żarową) padającej na głowice fotometryczną pod różnymi kątami ε;
 zarejestrowanie wskazań luksomierzy przy oświetlaniu głowicy fotometrycznej
źródłami światła o różnych rozkładach widmowych.
86
TABELA 1
Dane techniczne luksomierzy, które poddano badaniom – część 1
Parametry
techniczne
Przedział wskazań
Zakresy pomiarowe
oraz rozdzielczość
(d)
Klasa dokładności
Błąd niedopasowania widmowego f1
Błąd niedopasowania kierunkowego f2
Błąd całkowity
Numer badanego luksomierza
I
II
III
(0÷300 000) lx
(0÷199 900) lx
(0÷1999) lx
d
d
d
30 lx
2 lx
0,001 lx 200 lx
0,1 lx
0,001 lx
3000 lx
2000 lx
20 lx
0,1 lx
1 lx
0,01 lx
300 000 lx 10 lx
20 000 lx
200 lx
10 lx
0,1 lx
200 000 lx 100 lx
2000 lx 1 lx
A wg CIE*
A wg CIE
B wg CIE
≤2m% wg CIE
≤2% wg CIE
≤3% wg CIE
≤1,5% wg CIE
≤1,5% wg CIE
≤3% wg CIE
≤2,5% wg CIE
≤2,5% wg CIE
≤3,5% wg CIE
* CIE – Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa
TABELA 2
Dane techniczne luksomierzy, które poddano badaniom – część 2
Parametry
techniczne
Przedział
wskazań
IV
(0÷400 000) lx
Numer badanego luksomierza
V
VI
(0÷20 000) lx
(0÷100 000) lx
d
d
d
40 lx
0,01 lx 200 lx
1 lx
2000 lx
1 lx
Zakresy
pomiarowe
400 lx
0,1 lx
2000 lx 10 lx 20 000 lx 10 lx
oraz rozdziel- 4000 lx
1 lx
20000lx 100 lx 100000 lx 100 lx
czość (d)
40000 lx 10 lx
400000 lx 100 lx
dla E (lx) < 10,000
±(5% + 2 cyfry)
lx±(5% wartości
wskazanej + 10 cyfr) ±(4% wartości
wskazanej +
Dokładność
dla E (lx) > 10,000
+ 2 cyfry)
lx±(10% wartości
wskazanej +
10 cyfr)
Błąd niedobrak
brak
pasowania
f1 ≤ 6%
informacji
informacji
widmowego f1
Błąd niedopabrak
brak
sowania kief2 ≤ 2%
informacji
informacji
runkowego f2
Błąd
brak
brak
brak
całkowity
informacji
informacji
informacji
VII
(0÷20 000) lx
d
20 lx
0,01 lx
200 lx
1 lx
2000 lx 10 lx
20000 lx 100 lx
±(3% wartości
wskazanej,
+ 0,5% zakresu)
brak
informacji
brak
informacji
brak
informacji
87
TABELA 3
Wartości graniczne wybranych błędów fotometrów w zależności od klasy
Maksymalne wartości błędów dla klasy
klasa L
klasa A
klasa B
klasa C
błąd niedopasowania widmowego f1
1,5%
3%
6%
9%
błąd niedopasowania kierunkowego f2
–
1,5%
3%
6%
fotometry najwyższej jakości
fotometry wysokiej jakości
fotometry średniej jakości
fotometry niskiej jakości
Parametr
Na podstawie przeprowadzonych badań wyznaczono błędy względne oraz błędy
kosinusowe luksomierzy, a także współczynniki (wskaźniki) korekcji barwy.
Pomiary uzupełniono rejestracją krzywych rozkładów widmowych źródeł światła wykorzystanych podczas pomiarów eksperymentalnych.
3. METODYKA I SPOSÓB PRZEPROWADZENIA BADAŃ
3.1. Wzorcowanie luksomierzy
Wszystkie badania przeprowadzono w akredytowanym laboratorium wzorcującym nr AP 087, znajdującym się w Okręgowym Urzędzie Miar w Łodzi. Wzorcowanie luksomierzy wykonano zgodnie z opracowaną instrukcją wzorcowania. Stanowisko pomiarowe spełnia wymagania Polskiej Normy PN-91/E-04040/02 [2]. Metoda
wzorcowania luksomierzy polega na bezpośrednim porównaniu wskazań wzorcowanego luksomierza z wartościami natężenia oświetlenia realizowanymi za pomocą
wzorców światłości kierunkowej o temperaturze barwowej Tc = 2856 K. W normie
PN-89/E-04040/00 [3] znajdują się dokładne wymagania, jakie powinny spełniać:
wzorce światłości stosowane w pomiarach fotometrycznych, luksomierze odniesienia,
elektryczne układy pomiarowe oraz elektryczne układy zasilające. Norma podaje również informację odnośnie monitorowania parametrów elektrycznych wzorców światłości wykorzystywanych podczas wykonywania pomiarów natężenia oświetlenia.
W świadectwach wzorcowania wzorców światłości są określone parametry elektryczne,
które należy zachować, aby móc poprawnie wykonać pomiary. Z tego względu stanowisko pomiarowe wyposażone jest w źródło prądu stałego służące do zasilania wzorców światłości wraz z woltomierzem oraz amperomierzem służącym do sprawdzania
wielkości elektrycznych wzorców światłości. Wszystkie mierniki elektryczne znajdujące się na stanowisku pomiarowym zapewniają odpowiednie utrzymanie parametrów
elektrycznych stosowanych wzorców światłości.
Wszystkie wzorce światłości stosowane w laboratorium zachowują spójność
pomiarową w odniesieniu do państwowego wzorca jednostki miary światłości utrzymywanego w Głównym Urzędzie Miar. Pomiary natężenia oświetlenia były wykony-
88
wane w ciemni fotometrycznej na ławie fotometrycznej, która odpowiada wymaganiom
normy PN-91/E-04040/02 [2]. Podczas wykonywania pomiarów wykorzystano luksomierz odniesienia, który służył jako dodatkowy wskaźnik kontroli parametrów
elektrycznych wzorców światłości.
Pomiary natężenia oświetlenia były wykonane w ustabilizowanych warunkach
środowiskowych tak, aby nie zachodziły nagłe wahania temperaturowe. Warunki środowiskowe były monitorowane za pomocą termohigrometru.
Schemat stanowiska pomiarowego do wykonywania wzorcowania luksomierzy
przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1. Schemat stanowiska do wzorcowania luksomierzy:
Ł – ława fotometryczna; W1 – wózek z uchwytem do mocowania wzorców światłości;
W2 – wózek pomiarowy z uchwytem do mocowania głowicy fotometrycznej wzorcowanego
luksomierza; Z – wzorzec światłości; O – głowica fotometryczna wzorcowanego luksomierza; P – przesłony fotometryczne
Przed przystąpieniem do wzorcowania należało przygotować stanowisko pomiarowe. W tym celu w uchwycie wózka do mocowania wzorca umocowano wzorzec
światłości. Przed założeniem przemyto bańkę wzorca światłości spirytusem etylowym
w celu usunięcia zanieczyszczeń. Wzorzec światłości ustawiono w odpowiedniej płaszczyźnie. Płaszczyzna żarnika wzorca światłości znajdowała się w płaszczyźnie pionowej, prostopadłej do osi optycznej ławy, a środek włókna wzorca światłości znajdował się na osi optycznej ławy. Wózek na którym znajdował się wzorzec światłości
ustawiono w punkcie zerowym ławy fotometrycznej. Po odpowiednim ustawieniu
wzorca światłości na ławie fotometrycznej umieszczono na wózku wzorcowany luksomierz wraz z głowicą fotometryczną. Głowicę fotometryczną wzorcowanego luksomierza włożono w odpowiedni uchwyt, następnie ustawiono powierzchnię światłoczułą
głowicy wzorcowanego luksomierza w płaszczyźnie pionowej, prostopadłej do osi fotometrycznej ławy, a środek powierzchni światłoczułej na osi fotometrycznej ławy.
Przesłony fotometryczne ustawiono tak, aby wiązka rozbieżna światła przechodząca
przez otwór jednej przesłony padała całkowicie na powierzchnię następnej przesłony.
Po ustawieniu stanowiska pomiarowego włączono zasilanie i ustawiono parametry
elektryczne wzorca światłości zgodne z danymi zawartymi w świadectwie wzorcowania
danego wzorca światłości. Po ustawieniu parametrów elektrycznych (przed rozpoczęciem wzorcowania) wygrzano wzorzec światłości przez co najmniej 15 minut. Po
jego ustabilizowaniu się przystąpiono do wzorcowania. Włączono wzorcowane luksomierze, a następnie sprawdzono ich wskazania przy zasłoniętym elemencie światłoczułym. W przypadku, gdy wzorcowane luksomierze nie pokazywały wartości zera,
a była możliwość wykonania regulacji zera, wykonano jego regulację. W przypadku
89
jednego z wzorcowanych luksomierzy, przed przystąpieniem do wzorcowania przeprowadzono adjustację w punkcie pomiarowym 100 lx, która miała na celu przypisanie
wartości odniesienia do wartości mierzonej. Po wykonaniu wyżej opisanych czynności
przystąpiono do wzorcowania, czyli do wyznaczenia wartości natężenia oświetlenia
zgodnie ze wzorem (1).
E
I0
d2
(1)
gdzie:
E
I
d
Ω0
– natężenie oświetlenia w płaszczyźnie odbioru głowicy fotometrycznej
luksomierz, lx;
– światłość kierunkowa wzorca światłości wyrażona w kandelach, cd;
– odległość pomiędzy wzorcem światłości a powierzchnią odbioru głowicy
fotometrycznej luksomierza;
– jednostkowy kąt bryłowy wyrażony w steradianach, 1 sr.
Po wykonaniu wzorcowania wszystkich badanych luksomierzy obliczono błędy
względne oraz oszacowano niepewność pomiaru.
3.2. Wyznaczenie błędu kosinusowego
dla ogniwa fotometrycznego luksomierza
Błędy odbiorników badanych luksomierzy wyznaczono w dwóch półpłaszczyznach, w przedziale kątowym 0º ≤ ε ≤ 85º, z częstością co 5 stopni, dla jednej
wartości kąta azymutowego. W tym celu, na ławie fotometrycznej ustawiono wzorzec
światłości o temperaturze barwowej 2856 K. Głowicę fotometryczną badanego luksomierza, zwaną dalej głowicą, umieszczono na ławie fotometrycznej na wózku zaopatrzonym w goniometr. Goniometr pozwolił ustawić głowicę pod określonym kątem
w stosunku do osi optycznej ławy. Po włączeniu i ustabilizowaniu się parametrów
elektrycznych wzorca światłości (zgodnie z świadectwem wzorcowania) ustawiono
głowicę luksomierza pod kątem 0º w stosunku do osi optycznej. Głowię ustawiono
w wybranym punkcie zakresu pomiarowego (100 lx), po czy odczytano i zapisano
odpowiadającą temu ustawieniu odległość ro. Następnie skręcano głowicę o kąt ε
względem osi optycznej ławy, przesunięto wózek z luksomierzem do położenia, w którym wskazanie luksomierza odpowiadało wybranemu poprzednio punktowi 100 lx,
następnie odczytano i zapisano odległość rε. Pomiary wykonano dla kątów z zakresu
0º ≤ ε ≤ 85º.
3.3. Metodyka wyznaczania współczynników
(wskaźników) korekcji widmowej
Wyznaczając współczynniki korekcji widmowej, wykorzystano metodę opisaną
w zarządzeniu nr 32 Prezesa Głównego Urzędu Miar z dnia 20 marca 1995 r. w sprawie
wprowadzenia instrukcji sprawdzania luksomierzy.
90
W celu wyznaczenia współczynników (wskaźników) korekcji widmowej, na
ławie fotometrycznej ustawiono wzorzec światłości (iluminatem A) o temperaturze barwowej najbliższej Tc  2856 K oraz wózek z uchwytem pozwalającym na jednoczesne
zamocowanie ogniwa fotometrycznego badanego luksomierza oraz ogniwa fotometrycznego luksomierza odniesienia. Powierzchnie czynne ogniw fotometrycznych ustawiono w tej samej płaszczyźnie pionowej, prostopadłej do osi optycznej ławy. Za
pomocą uchwytu na ławie fotometrycznej umieszczano kolejno w strumieniu wzorca
światłości oraz pozostałych źródeł światła luksomierz odniesienia, a następnie luksomierz badany. W pierwszym kroku zmierzono natężenie oświetlenia ESW na powierzchni ogniwa fotometrycznego badanego luksomierza oraz natężenie oświetlenia EWW
na powierzchni ogniwa fotometrycznego luksomierza odniesienia przy użyciu wzorca
światłości (iluminatem A) o temperaturze barwowej najbliższej Tc  2856 K. Następnie
wzorzec światłości zastąpiono źródłem światła, który nie był iluminatem A. Zmierzono
natężenia oświetlenia EWB na powierzchni ogniwa fotometrycznego luksomierza odniesienia oraz zmierzono natężenia oświetlenia ESB na powierzchni ogniwa fotometrycznego badanego luksomierza.
Po zakończeniu badań dokonano metodą uproszczoną obliczeń współczynników
(wskaźników) korekcji widmowej dla wszystkich użytych źródeł światła.
4. WYNIKI Z PRZEPROWADZONYCH
POMIARÓW LABORATORYJNYCH
4.1. Wyniki wzorcowania
Badane luksomierze, w zależności od typu, zostały wywzorcowane w zakresie
pomiarowym (5÷10 000) lx. Z wyników uzyskanych z wzorcowania policzono błąd
względny zgodnie ze wzorem numer (2)
ew 
(X  XP)
 100%
X
(2)
gdzie:
ew – błąd względny obliczony na podstawie świadectwa wzorcowania;
X – wartość wskazana na wzorcowanym luksomierzu;
XP – wartość odniesienia z świadectwa wzorcowania;
W tabeli 4 podano błędy względne dla fotometrów oznaczonych numerami od
I do III, obliczone zgodnie ze wzorem (2). Błędy względne zestawiono z błędami
całkowitymi podanymi w tabeli 1.
W tabeli 5 podano błędy względne dla fotometrów oznaczonych numerami od
IV do VII, obliczone zgodnie ze wzorem (2). Błędy względne zestawiono z wartościami
dokładności obliczonymi zgodnie z tabelą 2.
91
TABELA 4
Błędy względne oraz całkowite luksomierzy, które poddano badaniom – część 1
Lp.
Punkt
pomiarowy
1
2
3
200 lx
2000 lx
10 000 lx
I
Błąd
względny
%
0,3
0,4
0,5
Błąd
całkowity
%
2,5
Badane luksomierze
II
Błąd
Błąd
względny całkowity
%
%
0,5
2,5
1,4
0,9
III
Błąd
względny
%
1,0
1,0
–
Błąd
całkowity
%
3,5
TABELA 5
Błędy względne oraz dokładności luksomierzy, które poddano badaniom – część 2
Badane luksomierze
V
VI
VII
Punkt
Lp.
Błąd
Błąd
Błąd
Błąd
pomiarowy
Dok.
Dok.
Dok.
Dok.*
względny
względny
względny
względny
%
%
%
%
%
%
%
%
1
200 lx
2,0
5,5
4,5
5,0
1,5
6,0
4,5
8,0
2
2000 lx
1,8
5,5
6,0
5,0
1,6
6,0
4,9
8,0
3
10 000 lx
3,3
6,0
6,7
4,2
0,2
5,2
4,4
4,0
IV
* Dok. – dokładność
W celu zobrazowania uzyskanych z wzorcowania błędów względnych, zostały
one przedstawiono na rysunku 2.
Dla każdego punktu pomiarowego oszacowano niepewność pomiaru na poziomie 2,3%.
Analizując badane luksomierze pod kątem wyników uzyskanych z wzorcowania
można zauważyć, że wraz ze wzrostem natężenia oświetlenia wzrastają błędy pomiaru
w przypadku luksomierzy oznaczonych numerami I oraz V.
Dla luksomierza oznaczonego numerem VI najmniejszy błąd pomiaru występuje
przy największej wartości natężenia oświetlenia. Fotometry oznaczone numerami II
oraz VII posiadają największy błąd pomiaru dla wartości natężenia oświetlenia 2000 lx;
być może jest to spowodowane początkiem zakresu pomiarowego.
Porównując błędy względne z błędami całkowitymi dla luksomierzy oznaczonych numerami od I do III, można stwierdzić, iż są dużo mniejsze, niż deklarowane
przez producenta błędy całkowite. Należy pamiętać, że w skład błędu całkowitego,
oprócz błędu pomiaru, wchodzą innego rodzaju błędy, dlatego jeżeli błąd pomiaru
podczas wzorcowania wyszedłby większy, niż błąd całkowity, mogło by to świadczyć
o tym, że producent niepoprawnie go oszacował.
W tabeli 5 zestawiono błędy pomiaru oraz obliczone do każdego punktu pomiarowego dokładności deklarowane przez producenta. Analizując tabelę 5 można
stwierdzić, iż tylko w przypadku luksomierza oznaczonego numerem V błędy pomiaru
w punktach 2000 lx oraz 10 000 lx znajdują się poza deklarowaną dokładnością. Należy
zauważyć, iż dokładność to, potocznie mówiąc, stopień zgodności między wynikiem
92
pomiaru a wartością odniesienia. Błąd pomiaru nie jest pojedynczą liczbą, a znajduję się
w pewnym przedziale niepewności. Jeżeli w trakcie wykonywania wzorcowania błędy
pomiaru są większe, niż deklarowana dokładność, wówczas możemy przypuszczać,
że producent zawyżył deklarowaną dokładność przyrządu.
8
7
Błąd względny %
6
200 lx
2000 lx
10 000 lx
5
4
3
2
1
0
I
II
III
IV
V
Badane luksomierze
VI
VII
Rys. 2. Błędy względne badanych luksomierzy oznaczonych numerami od I do VII
4.2. Błędy kosinusowe
Jednym z wymagań stawianych luksomierzom jest spełnienie warunku, zgodnie
z którym, odpowiedź luksomierza na padające promieniowanie będzie zgodna z funkcją
kosinusa kąta padania promieniowania na powierzchnię czynną głowicy fotometrycznej
luksomierza zgodnie ze wzorem (3):
E ( )  E (0)  cos 
(3)
gdzie:
E(0) – jest odpowiedzią luksomierza oświetlanego promieniowaniem padającym
na powierzchnię czynną pod kątem 0º.
W celu skorygowania odpowiedzi kosinusowej luksomierza stosuje się różne
rozwiązania konstrukcyjne, z których najczęściej stosowanym jest umieszczenie przed
odbiornikiem luksomierza elementu rozpraszającego światło. Skuteczność takiej korekcji jest różna w obrębie typów luksomierzy, których parametry metrologiczne są
analizowane w tym artykule.
Względny błąd kosinusowy odbiornika fotometrycznego luksomierza wyznaczono na podstawie zależności (4)
f 2 ( , ) 
E ( , )
 1,
E (0, )  cos 
(4)
gdzie:
93
 – kąt między osią wiązki świetlnej a prostą prostopadłą do powierzchni czynnej odbiornika;
 – kąt azymutowy miał wartość stałą;
E ( , ) – wartość natężenia oświetlenia przy oświetlaniu odbiornika pod kątem ε.
Błąd kosinusowy Δe luksomierza wyznaczono z zależności (5)
e  e  e0 ,
(5)
w zakresie 0º ≤ ε ≤ 85º w dwóch kierunkach obrotu głowicy fotometrycznej luksomierza: w kierunku zgodnym i przeciwnym do kierunku ruchu wskazówek zegara.
Wyniki przedstawiono w formie graficznej na rysunku 3. Na osi odciętych
podano kąty, natomiast na osi rzędnych podano wartości błędów względnych głowic
fotometrycznych badanych luksomierzy.
25
20
e [%]
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-85 -80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
Luksomierz:
I
II
III
IV
VI
VII
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
V
 [0]
Rys. 3. Błąd kosinusowy luksomierzy
Poprawna odpowiedź kosinusowa głowicy fotometrycznej luksomierza jest
jedną z istotnych właściwości, warunkujących wykonanie pomiarów oświetlenia we
właściwy sposób. Podczas wykonywania wzorcowania luksomierzy w warunkach laboratoryjnych, element światłoczuły luksomierza jest oświetlany pod kątem 0 stopni.
Wzorcowanie nie daje więc informacji o charakterystyce odpowiedzi kątowej luksomierza. Podczas wykonywania pomiarów w różnego typu pomieszczeniach strumień
świetlny pada na głowicę fotometryczną luksomierza pod różnymi kątami. Błąd systematyczny związany z nieprawidłową odpowiedzią kosinusową głowicy fotometrycznej luksomierza może w znaczny sposób wpływać na wyniki pomiarów wykonywanych
w warunkach oświetlenia rozproszonego. W większości przypadków użytkownik przyrządu nie ma świadomości występowania w tym przypadku błędu statystycznego.
94
4.3. Wyznaczenie współczynników
(wskaźników) korekcji widmowej
Dla każdego zastosowanego źródła światła obliczono współczynniki korekcji
widmowej, korzystając z zależności (6).
K
EWB ESW
ESB  EWW
(6)
gdzie:
EWW – natężenie oświetlenia na powierzchni ogniwa fotometrycznego luksomierza odniesienia przy użyciu wzorca światłości (iluminantu A) o temperaturze barwowej najbliższej Tc = 2856 K;
EWB – natężenie oświetlenia na powierzchni ogniwa fotometrycznego luksomierza odniesienia przy użyciu źródła światłości niebędącego iluminantem A;
ESW – natężenie oświetlenia na powierzchni ogniwa fotometrycznego badanego
luksomierza przy użyciu wzorca światłości (iluminantu A) o temperaturze barwowej najbliższej Tc = 2856_K;
ESB – natężenie oświetlenia na powierzchni ogniwa fotometrycznego luksomierza odniesienia przy użyciu źródła światłości niebędącego iluminantem A.
Podczas wykonywania pomiarów został zachowany następujący warunek (7)
EWB  EWW ,
(7)
zatem współczynnik korekcji barwowej wyliczono z zależności (8)
K
E SW
.
ESB
(8)
W tabeli 6 podano wartości współczynników korekcji barwowej dla każdego
zastosowanego w pomiarach źródła światła.
Zastosowanie podanych w tabeli 6 współczynników korekcji barwowej zmniejszyłoby błędy uzyskania niepoprawnej wartości natężenia oświetlenia. Dla użytkowników fotometrów najlepszą sytuacją jest, aby współczynniki korekcji barwowej
miały wartość 1. W tabeli 6 można zauważyć, iż taka sytuacja występuje tylko dla
luksomierzy oznaczonych numerami od I do III. Współczynniki korekcji barwowej są
tutaj bliskie jedności, co świadczy o bardzo dobrym dopasowaniu widmowym głowicy
fotometrycznej. W przypadku luksomierza oznaczonego numerem IV, współczynniki
korekcji widmowej różnią się dużo od oczekiwanej wartości, jaką jest 1. LED niebieski, dla luksomierzy oznaczonych numerami od IV do VII, okazał się źródłem
światła, przy którym wartości współczynników korekcji barwowej najbardziej się
między sobą różnią.
95
TABELA 6
Współczynniki korekcji barwowej dla badanych luksomierzy
Źródło światła
Wysokoprężna lampa
sodowa
rtęciowa
Lampa ksenonowa
Świetlówka liniowa
(barwa ciepła)
(barwa chłodno-biała)
(barwa dzienna)
LED
(barwa ciepła)
LED
(barwa biała)
LED
(barwa zimna)
LED niebieski
LED zielony
LED czerwony
Badane luksomierze
III
IV
V
I
II
VI
VII
0,99
1,00
0,99
1,25
0,99
1,05
1,04
1,00
1,00
1,01
1,34
0,98
1,09
1,08
1,00
1,01
1,01
0,99
1,00
0,85
0,85
0,99
0,99
0,99
1,17
1,01
0,90
0,90
1,00
1,00
0,99
1,25
1,03
1,00
1,03
1,00
1,01
1,00
1,29
1,01
1,06
1,08
0,99
1,01
0,99
1,26
1,01
1,08
1,09
0,99
1,01
1,00
1,26
1,00
1,06
1,05
1,00
1,01
1,01
1,14
1,03
0,90
0,91
1,06
1,00
0,99
1,05
1,05
0,94
1,19
1,05
0,95
0,35
1,42
0,79
2,64
0,89
1,30
0,23
1,08
0,93
0,29
0,81
1,63
4.4. Właściwości barwowe
elektrycznych źródeł światła wykorzystanych
do oświetlania głowicy luksomierzy
W odniesieniu do poszczególnych źródeł światła, którymi oświetlano powierzchnię światłoczułą luksomierza, przeprowadzono pomiary spektrometryczne w zakresie
380780 nm, z krokiem co 1 nm. Korzystając z zależności (9) wyznaczono względne
wartości egzytancji promienistej, które posłużyły do obliczenia współrzędnych chromatycznych x, y, temperatury barwowej najbliższej Tcn oraz ogólnego wskaźnika
oddawania barw Ra (tabela 7).
S   
gdzie:
100 E   
E  560 
– rozkład widmowy egzytancji promienistej;
E()
E(560) – wartość egzytancji dla długości fali  = 560 nm;
S()
– względny rozkład widmowy mocy egzytancji promienistej.
(9)
96
TABELA 7
Właściwości barwowe elektrycznych źródeł światła
Źródło światła
Lampa żarowa
sodowa
rtęciowa
Lampa ksenonowa
(barwa ciepła)
(barwa biała)
(barwa chłodno-biała)
(barwa dzienna)
LED
(barwa ciepła)
LED (barwa biała)
LED (barwa zimna)
LED niebieski
LED zielony
LED czerwony
Symbol
(0)
x [-]
0,4592
y [-]
0,4088
Tcn [K]
2856
Ra [-]
99,94
(1)
0,5047
0,4107
2178
56,04
(2)
0,3344
0,3520
5425
41,15
(3)
0,3255
0,3257
5946
94,45
(4)
0,4297
0,3520
2657
84,75
(5)
0,3903
0,3718
3698
64,47
(6)
0,3569
0,3451
4522
82,92
(7)
0,2996
0,3205
7373
79,04
(8)
0,4295
0,3996
3092
70,82
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
0,3746
0,2977
0,1320
0,1588
0,6953
0,3767
0,3087
0,0630
0,0560
0,3005
4163
7721
x*
x
x
66,34
80,21
x
x
x
* x – nie ma zastosowania, odległość punktu chromatyczności od krzywej Plancka przekracza 0,04
450
400
V
lampa sodowa (1)
lampa rtęciowa (2)
1
0,9
lampa ksenonowa (3)
krzywa czułości widmowej
350
0,8
0,7
300
0,6
250
S ( )
0,5
200
0,4
150
0,3
100
0,2
50
0,1
0
0
380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780
 [nm]
Rys. 4. Krzywe rozkładów widmowych wybranych lamp wyładowczych
97
9000
8000
V
7000
6000
5000
S ( )
świetlówka o barwie
ciepło-białej (4)
białej (5)
chłodno-białej (6)
dziennej (7)
krzywa czułości
widmowej
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
4000
0,4
3000
0,3
2000
0,2
1000
0,1
0
0
380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780
 [nm]
Rys. 5. Krzywe rozkładów widmowych świetlówek liniowych
250
V
LED o barwie ciepłej (8)
LED o barwie białej (9)
LED o barwie zimnej (10)
200
krzywa czułości widmowej
1
0,9
0,8
0,7
0,6
150
S ( )
0,5
0,4
100
0,3
0,2
50
0,1
0
0
380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780
 [nm]
Rys. 6. Krzywe rozkładów widmowych źródeł LED
1600
1400
V
LED niebieski (11)
LED zielony (12)
LED czerwony (13)
krzywa czulości widmowej
1200
1
0,9
0,8
0,7
1000
0,6
S ( ) 800
0,5
0,4
600
0,3
400
0,2
200
0,1
0
0
380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780
 [nm]
Rys. 7. Krzywe rozkładów widmowych barwnych źródeł LED
98
Krzywe względnych rozkładów egzytancji promienistej przedstawiono na rysunkach oznaczonych numerami od 4 do 7. Wobec faktu, że dla wybranych źródeł
światła zarejestrowane wartości egzytancji dla długości fali  = 560 nm są nieznaczne,
w celu poprawienia czytelności rysunków, zmierzone E() pomnożono przez 100.
Zabieg ten przeprowadzono w odniesieniu do lamp o symbolach 2 (rys. 4), 4, 6 (rys. 5)
i 12 (rys. 7.). Dodatkowo na poszczególnych rysunkach naniesiono względną czułość
widmową normalnego obserwatora CIE, do której powinny być dopasowane czułości
odbiorników fotoelektrycznych.
5. WNIOSKI
W celu wyeliminowania błędów pomiarowych, spowodowanych niedostateczną korekcją widmową, wzorcowanie luksomierzy należałoby przeprowadzać przy
zastosowaniu źródeł światła o rozkładach widmowych odpowiadającym mierzonym
w praktyce promieniowaniom. Z uwagi jednak na dużą różnorodność stosowanych
obecnie źródeł światła, przeprowadzenie takich pomiarów byłoby kłopotliwe. Warto też
wziąć pod uwagę fakt, że bardzo często oświetlenie miejsc pracy we wnętrzach jest
wynikiem superpozycji różnych cząstkowych strumieni świetlnych pochodzących od
różnych źródeł światła (opraw oświetleniowych, ścian, mebli itp.). A zatem wypadkowy
rozkład widmowy strumienia świetlnego (padającego na powierzchnię światłoczułą
luksomierza) będzie różnił się od rozkładu widmowego pojedynczego (jednego rodzaju)
źródła światła.
Producenci w specyfikacjach technicznych podają błąd niedopasowania widmowego dużo niższy, niż jest on w rzeczywistości. Kierowanie się specyfikacją techniczną producenta przy wyborze luksomierza jest w takiej sytuacji niewystarczające,
ponieważ niejednokrotnie wartości w nich podane są zaniżone lub podane orientacyjnie. Ponadto użytkownicy często wybierają luksomierze, których konstrukcja może
być powodem nieprawidłowych wyników pomiarów, co w szczególności dotyczy
luksomierzy, w których panel odczytowy i odbiornik fotometryczny jest w jednym
elemencie. Takie rozwiązanie może spowodować częściowe zacienienie odbiornika
przy próbie odczytania wartości natężenia oświetlenia. Jednym z istotnych kryteriów
wyboru luksomierza jest jego cena. Użytkownicy powinni zdecydować o tym, na ile
niska cena kompensuje niską jakość miernika. Laboratorium wzorcujące nie ma kompetencji do narzucania użytkownikom ograniczeń w stosowanych przez nich mierników. Użytkownik ponosi odpowiedzialność za jakość wykonywanych przez siebie
pomiarów i to on decyduje, czy jakość danego luksomierza jest wystarczająca do
wykonania konkretnych badań.
W okresie, kiedy luksomierze podlegały prawnej kontroli metrologicznej (legalizacji), dopuszczano do użytkowania tylko fotometry spełniające wymagania odpowiednich przepisów. Podczas legalizacji sprawdzano charakterystyki metrologiczne,
wyznaczano współczynniki korekcyjne dla najczęściej stosowanych źródeł światła,
wyznaczano błąd kosinusowy oraz sprawdzano, czy konstrukcja, wykonanie, stan i oznaczenia sprawdzanego luksomierza odpowiadają wymaganiom przepisów o luksomierzach. Legalizacja była skutecznym narzędziem eliminującym mierniki posiadające
99
duże błędy, o niewłaściwych konstrukcjach lub z wadami jednostkowymi. Obecnie
takich ograniczeń nie ma, a niepokojący jest fakt, że w ostatnich latach obserwuje się
w laboratoriach wzorcujących dużą rozbieżność w jakości luksomierzy zgłaszanych
do wzorcowania.
LITERATURA
1. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 26 września 1997 r.
2. PN-91/E-04040/02 Pomiary promieniowania optycznego. Pomiary fotometryczne. Pomiar
światłości.
3. PN-89/E-04040/00 Pomiary promieniowania optycznego. Pomiary fotometryczne. Wymagania ogólne.
4. Pietrzykowski J.: Ocena niepewności pomiaru natężenia oświetlenia z użyciem temperaturowych źródeł światła o temperaturze barwowej najbliższej różnej od 2856 K, Prace
Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 245, 2010, s. 87.
5. Pietrzykowski J.: Pomiary promieniowania optycznego, Technika Świetlna’09, Poradnik –
– Informator, tom 1.
6. Helbig E.: Podstawy fotometrii. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1975.
7. PN-EN 12464-1:2004 Światło i oświetlenie. Oświetlenie miejsc pracy. Część 1: Oświetlenie miejsc pracy we wnętrzach.
8. PN-EN 12464-1:20012 Światło i oświetlenie. Oświetlenie miejsc pracy. Część 1: Oświetlenie miejsc pracy we wnętrzach.
9. Fryc I.: Korekcja widmowa detektorów stosowanych w głowicach fotometrycznych.
Przegląd Elektrotechniczny, 7/1997, s. 191-195.
10. Fryc I.: Błędy korekcji widmowej wnoszone przez element rozpraszający głowicy fotometrycznej, powstające podczas pomiarów natężenia oświetlenia luksomierzem, III Krajowe Sympozjum Kolorymetryczne, Spała, 9-11 września 1998.
11. Fryc I.: Spectral correction of detector used in illuminance measurements. Proceedings of
SPIE, Vol. 3820, pp. 343-348, Bellingham, Washington, 1999.
12. Fryc I.: Korekcja widmowa i przestrzenna fotometrów, Rozprawy Naukowe, Nr 71,
Politechnika Białostocka, Białystok, 2000.
13. Czech E.: Model nowego konstrukcyjnego rozwiązania luksomierza, VI Krajowe Sympozjum Kolorymetryczne, Białystok-Białowieża, 4-6 czerwca 2003, s. 27-34.
14. Publikacja CIE 69-1987 Methods of characterizing illuminance meters and luminance
meters.
Rękopis dostarczono dnia 16.04.2014 r.
100
ANALYSIS OF THE CHOSEN ATTRIBUTES
OF DIFFERENT TYPES OF LUXMETERS
Agnieszka BANASZAK
Przemysław TABAKA, Justyna WTORKIEWICZ
ABSTRACT An iluminance meter is the basic and most frequently used
measuring instrument in photometry. This instrument must meet a number of
requirements e.g. a spectral and space correction of the photoelement in
order to have the illuminance corresponding to the actual value. In the
recent years, more and more photometers can be found on the market, which
have generated a lot of attention because of their low price. Their individual
cost is very often lower than the calibration price. On the grounds of the
performed laboratory measurements, the chosen metrological attributes of
commonly used luxmeters during the indoor verification of lighting
parameters were analysed in the article. Instruments of high as well as low
accuracy were tested. During the indoor lighting the light sources of different spectral concentration are used. Concerning this fact the individual
luxmeters read-outs with light-sensitive surfaces lighted by the discharge
lamp as well as LED sources were registered. Obtained results were
compared with the values received during measurements carried out with
the use of an electric lamp of the colour temperature Tc = 2856 K, i.e. a
source, which radiation is used during the calibration of photometers. The
relative and cosine errors as well as the colour correction coefficients
(factors) were set down based on the carried out measurements. They were
complemented with the registration of the spectral concentration locus of the
light sources used during the experimental measurements.
Keywords:
illuminance meter, cosine error the colour correction coefficient, spectral concentration, calibration, measurement error, light sources

analiza wybranych właściwości różnych typów luksomierzy

Transkrypt

Podobne dokumenty

analiza wybranych właściwości różnych typów luksomierzy

Ćwiczenie 02. Pomiar światłości kierunkowej

Rymatex - Rymanów, Polska

Testujemy oświetlenie LED

PRAKTYKA w LUXON LED ( Dział Marketingu) Nr ref: PM/10/2016

Idee pragnące żyć - Creatio Fantastica

OPTIMUM-PANEL-48W 600x600

Telefon Nokia N70 czarna jak NOWA